CN109462928B - 一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法 - Google Patents

一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法 Download PDF

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Abstract

一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，涉及一种抑制热声振荡现象中压力脉动的方法。本发明用中心等离子体与侧面等离子体协同作为一种动态、主动的方式调控燃烧室在燃烧过程中出现的压力脉动状态。本发明在燃烧室的火焰根部和侧面产生等离子体，根部等离子体动态地影响火焰热释放的频率与相位规律，使得脉动火焰对气流扰动的响应程度发生变化；火焰侧面施加的等离子体通过一定能量输入吸附火焰主体，改变火焰主释热区相对于燃烧室出口的距离，即令燃烧室内压力脉动从燃烧室出口反射的回传路径长度改变，压力脉动与火焰热释放率的相位差发生变化；两处等离子体协同作用、调节而实现燃烧压力脉动的减缓或抑制。

Description

一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃 烧压力脉动的方法
技术领域
本发明涉及一种抑制燃烧压力脉动的方法。
背景技术
在一定运行工况下，燃烧室内部将产生一些意料之外的不稳定情况，即当声压和非定常热释放之间的相对相位介于+90°和-90°之间，燃烧系统的能量将得到放大。如果此放大的能量大于在燃烧室边界上消散的能量，那么燃烧室的一个振荡周期积累的平均净能量就会增加，并最终导致热声振荡现象的发生。一方面，这种不稳定现象能够促进燃料-空气的掺混，增强混合效果，有利于燃烧的进行；但是另一方面，这会导致额外的压力，流场和火焰的高振幅振荡，热负荷增高，污染物产生加剧，燃烧室和系统的正常工作受一定影响，严重时还会造成系统部件损伤和破坏。
Figure GDA0001954382220000011
在上式中，u表示粒子速度，p表示压强，ρ为密度，c声速度和q是单位体积的热释放率。等式左边(LHS)项描述了燃烧室容积V中总声能(势能和动能之和)的变化率，等式右边第一项(RHS)表示不稳定热释放和声干扰之间的能量交换，最后一项表示燃烧室的边界表面等因素造成的的能量损失。当声压和非定常热释放之间的相对相位介于+90度和-90度之间，系统的能量就能得到放大。如果由不稳定燃烧所提供的声学能量大于在燃烧室边界上消散的能量，那么燃烧室的一个振荡周期的平均能量就会增加，并最终导致燃烧不稳定的发生。
传统的针对燃烧室内部热声振荡的控制方法主要可分为主动控制与被动控制两种方法。被动控制针对上式右端第二项，控制程度受限较大，往往只在一定范围内的操作条件下有效。主动控制针对上式右端第一项，即通过执行器控制燃烧系统的某些参数，以干扰热释放脉动与声学扰动结合引发热声振荡的条件，具有系统反馈性好，有较好的控制效果，适应性强的优点；但同时传统主动控制(如机械阀门)仍然存在作动频率不足(通常小于100Hz)、作动时间延迟大以及存在机械损失等问题。
发明内容
本发明是要解决现有的抑制燃烧压力脉动的方法存在作动频率不足、作动时间延迟大以及机械损失的技术问题，而提供一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法。
本发明的高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法是按以下步骤进行的：
将金属电极置于燃烧室入口的中心处，将环形的DBD电极环绕置于燃烧室的侧壁上，且高度位于火焰的四周，金属电极与燃烧室外部的第一电源的输出端连接，环形的DBD电极与燃烧室外部的第二电源的输出端连接，向燃烧室内通入可燃预混气并点燃，当燃烧室内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室外部的第一电源和第二电源，令金属电极和环形的DBD电极在燃烧室内部产生等离子体放电，并分别作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的根部和侧面，调节两个等离子体的放电频率均为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节两个等离子体的放电强度，实现燃烧室内压力脉动的抑制。
本发明中金属电极产生的等离子体和环形的DBD电极产生的等离子体分别作用于火焰的根部和侧面并协同影响火焰，且等离子体放电频率应施以火焰脉动主频率的整数倍，使得悬浮火焰吸附于金属电极和环形的DBD电极附近；火焰根部施加的等离子体动态地影响火焰热释放的频率与相位规律，使得脉动火焰对气流扰动的响应程度发生变化；火焰侧面施加的等离子体将改变火焰主释热区相对于燃烧室出口的距离，即令燃烧室内压力脉动从燃烧室出口反射的回传路径长度改变，压力脉动与火焰热释放率的相位差发生变化；这两处等离子体联合作用将打破原先火焰热释放与声压之间满足的热声振荡条件，实现燃烧室内压力脉动的抑制。
本发明的优点是：相比于传统主动控制如机械阀门等作动方式，本发明利用等离子体作为一种新型的主动控制方式，由于其自身的高频作动特性(通常为上千赫兹)，能够完美的解决传统主动控制手段的频率限制、以及作动时间延迟和存在机械损失等问题。从现象上看，启动等离子体可看到燃烧室内火焰能够明显被吸附于两个电极附近，火焰形态稳定，受气流扰动影响小。通过采用不同的金属电极形式、连接不同的电源，调节不同的参数可以获得一系列影响程度不同的燃烧室压力脉动抑制、减缓效果。对于一个动态燃烧压力脉动，具有良好的反馈调节实施条件，通过调节各项相关参数，实现最佳压力脉动的抑制、减缓效果。
本发明对于一个在燃烧室内满足热声振荡条件的火焰，在其根部和侧面同时施加等离子体放电，能够显著改变火焰热释放规律，从而打破燃烧室内部火焰热释放与声压之间原有的、满足热声振荡的形成条件，实现热声振荡现象的减缓，压力脉动得到抑制，并且压力脉动幅度能够减缓为之前的十分之一。
附图说明
图1为试验一中高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法示意图；
图2为图1中区域A的放大图；
图3为试验二中高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法的方法示意图；
图4为试验三中高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法示意图；
图5为图4中区域B的放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，具体是按以下步骤进行的：
将金属电极置于燃烧室入口的中心处，将环形的DBD电极置于燃烧室的侧壁上围一圈且高度位于火焰的四周，金属电极与燃烧室外部的第一电源的输出端连接，环形的DBD电极与燃烧室外部的第二电源的输出端连接，向燃烧室内通入可燃预混气并点燃，当燃烧室内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室外部的第一电源和第二电源，令金属电极和环形的DBD电极在燃烧室内部产生等离子体放电，并分别作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的根部和侧面，调节两个等离子体的放电频率均为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节两个等离子体的放电强度，实现燃烧室内压力脉动的抑制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的金属电极为金属悬浮单电极，金属悬浮单电极的下端与燃烧室外部的第一电源的输出端连接。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的金属电极为金属双电极，一对金属双电极安装在火焰的根部附近，呈相对布置，金属双电极的两个电极分别与燃烧室外部的第一电源的输出端和地线相连接。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的金属电极为DBD电极，所述的DBD电极由两个圆形金属薄片和一个对应尺寸的石英块组成，两个圆形金属薄片呈相对布置，石英块布置在两个金属薄片中且粘连在一个圆形金属薄片上，粘连有石英块的圆形金属薄片作为高压电极端，与燃烧室外部的第一电源的输出端连接；另一金属薄片作为地端与地线相连接。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的电源为脉冲电源、交流电源或直流交流耦合电源。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，如图1和2所示，具体是按以下步骤进行的：
将金属悬浮单电极2置于燃烧室1入口的中心处，将环形的DBD电极8环绕置于燃烧室1的侧壁上，且高度位于火焰7的四周，金属悬浮单电极2与燃烧室1外部的第一电源5-1的输出端连接，环形的DBD电极8与燃烧室1外部的第二电源5-2的输出端连接，向燃烧室1内通入可燃预混气6并点燃，当燃烧室1内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室1外部的第一电源5-1和第二电源5-2，令金属悬浮单电极2和环形的DBD电极8在燃烧室1内部产生等离子体放电，并分别作用于燃烧室1内部发生热声振荡火焰7的根部和侧面，调节两个等离子体的放电频率均为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节两个等离子体的放电强度，实现燃烧室1内压力脉动的抑制。
所述的金属悬浮单电极2的下端与燃烧室1外部的第一电源5-1的输出端连接；
所述的环形的DBD电极8由高压电极端8-1、绝缘介质8-2和地电极端8-3组成；高压电极端8-1与燃烧室1外部的第二电源5-2的输出端连接，地电极端8-3接地，绝缘介质8-2呈环形紧贴于燃烧室1的内壁，高压电极端8-1呈环形紧贴于绝缘介质8-2的内壁，地电极端8-3呈环形紧贴于绝缘介质8-2的内壁，高压电极端8-1与地电极端8-3平行且高压电极端8-1位于地电极端8-3的上方；
所述的第一电源5-1为脉冲电源，第二电源5-2为交流电源；3号为喷射管，4为收缩部分；
本试验在燃烧室1发生一定程度的热声振荡之后，打开第一电源5-1在金属悬浮单电极2处产生等离子体作用于脉动火焰7的根部，打开第二电源5-2在环形的DBD电极8处产生等离子体作用于脉动火焰7的侧面，调节两个等离子体的频率均为火焰脉动频率的整数倍，使得火焰7受到两部分等离子体的热效应、化学效应和电磁效应影响而令其受气流流动扰动的影响减小，释热稳定性相应得到提高；并且火焰7热释放规律得到调整，使得燃烧室1脉动能量的放大程度减小，即流场波动影响燃烧放热率波动的通路被隔断，进而实现燃烧室1内压力脉动的减小甚至消失。
试验二：本试验为一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，如图3所示，具体是按以下步骤进行的：
将金属双电极9置于燃烧室1入口的中心处，将环形的DBD电极8环绕置于燃烧室1的侧壁上，且高度位于火焰7的四周，金属双电极9与燃烧室1外部的第一电源5-1的输出端连接，环形的DBD电极8与燃烧室1外部的第二电源5-2的输出端连接，向燃烧室1内通入可燃预混气6并点燃，当燃烧室1内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室1外部的第一电源5-1和第二电源5-2，令金属双电极9和环形的DBD电极8在燃烧室1内部产生等离子体放电，并分别作用于燃烧室1内部发生热声振荡火焰7的根部和侧面，调节两个等离子体的放电频率均为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节两个等离子体的放电强度，实现燃烧室1内压力脉动的抑制。
所述的金属双电极9安装在火焰的根部附近，呈相对布置，金属双电极9的两个电极分别与燃烧室外部的第一电源5-1的输出端和地线相连接；
所述的环形的DBD电极8由高压电极端8-1、绝缘介质8-2和地电极端8-3组成；高压电极端8-1与燃烧室1外部的第二电源5-2的输出端连接，地电极端8-3接地，绝缘介质8-2呈环形紧贴于燃烧室1的内壁，高压电极端8-1呈环形紧贴于绝缘介质8-2的内壁，地电极端8-3呈环形紧贴于绝缘介质8-2的内壁，高压电极端8-1与地电极端8-3平行且高压电极端8-1位于地电极端8-3的上方；
所述的第一电源5-1为脉冲电源，第二电源5-2为交流电源；3号为喷射管，4为收缩部分；
本试验在燃烧室1发生一定程度的热声振荡之后，打开第一电源5-1在金属双电极9处产生等离子体作用于脉动火焰7的根部，打开第二电源5-2在环形的DBD电极8处产生等离子体作用于脉动火焰7的侧面，调节两个等离子体的频率均为火焰脉动频率的整数倍，使得火焰7受到两部分等离子体的热效应、化学效应和电磁效应影响而令其受气流流动扰动的影响减小，释热稳定性相应得到提高；并且火焰7热释放规律得到调整，使得燃烧室1脉动能量的放大程度减小，即流场波动影响燃烧放热率波动的通路被隔断，进而实现燃烧室1内压力脉动的减小甚至消失。
试验三：本试验为一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，如图4和5所示，具体是按以下步骤进行的：
将DBD电极10置于燃烧室1入口的中心处，将环形的DBD电极8环绕置于燃烧室1的侧壁上，且高度位于火焰7的四周，DBD电极10与燃烧室1外部的第一电源5-1的输出端连接，环形的DBD电极8与燃烧室1外部的第二电源5-2的输出端连接，向燃烧室1内通入可燃预混气6并点燃，当燃烧室1内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室1外部的第一电源5-1和第二电源5-2，令DBD电极10和环形的DBD电极8在燃烧室1内部产生等离子体放电，并分别作用于燃烧室1内部发生热声振荡火焰7的根部和侧面，调节两个等离子体的放电频率均为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节两个等离子体的放电强度，实现燃烧室1内压力脉动的抑制。
所述的DBD电极10安装在火焰的根部附近，所述的DBD电极10由两个圆形金属薄片10-1、10-3和一个对应尺寸的石英块10-2组成，两个圆形金属薄片10-1和10-3呈相对布置，石英块10-2布置在两个金属薄片中且粘连在一个圆形金属薄片10-1上，粘连有石英块10-2的圆形金属薄片10-2作为高压电极端，与燃烧室1外部的第一电源5-1的输出端连接；另一金属薄片1-2作为地端与地线相连接；
所述的环形的DBD电极8由高压电极端8-1、绝缘介质8-2和地电极端8-3组成；高压电极端8-1与燃烧室1外部的第二电源5-2的输出端连接，地电极端8-3接地，绝缘介质8-2呈环形紧贴于燃烧室1的内壁，高压电极端8-1呈环形紧贴于绝缘介质8-2的内壁，地电极端8-3呈环形紧贴于绝缘介质8-2的内壁，高压电极端8-1与地电极端8-3平行且高压电极端8-1位于地电极端8-3的上方；
所述的第一电源5-1和第二电源5-2均为交流电源；3号为喷射管，4为收缩部分；
本试验在燃烧室1发生一定程度的热声振荡之后，打开第一电源5-1在DBD电极10处产生等离子体作用于脉动火焰7的根部，打开第二电源5-2在环形的DBD电极8处产生等离子体作用于脉动火焰7的侧面，调节两个等离子体的频率均为火焰脉动频率的整数倍，使得火焰7受到两部分等离子体的热效应、化学效应和电磁效应影响而令其受气流流动扰动的影响减小，释热稳定性相应得到提高；并且火焰7热释放规律得到调整，使得燃烧室1脉动能量的放大程度减小，即流场波动影响燃烧放热率波动的通路被隔断，进而实现燃烧室1内压力脉动的减小甚至消失。

Claims (6)

1.一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于，高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法是按以下步骤进行的：
将金属电极置于燃烧室入口的中心处，将环形的DBD电极环绕置于燃烧室的侧壁上且高度位于火焰的四周，金属电极与燃烧室外部的第一电源的输出端连接，环形的DBD电极与燃烧室外部的第二电源的输出端连接，向燃烧室内通入可燃预混气并点燃，当燃烧室内产生热声振荡现象并伴随压力脉动时，启动燃烧室外部的第一电源和第二电源，令金属电极和环形的DBD电极在燃烧室内部产生等离子体放电，并分别作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的根部和侧面；对于施加于火焰根部的等离子体，调节放电频率为火焰脉动频率的整数倍，使火焰受等离子体的动态影响；对于施加于火焰侧面的等离子体，调节等离子体强度使得火焰吸附上，相位规律变化；调节两处等离子体激励电源的频率、电压或电流幅值以及二者能量输入比例以实现燃烧压力脉动减缓或抑制；
金属电极产生的等离子体和环形的DBD电极产生的等离子体分别作用于火焰的根部和侧面并协同影响火焰；火焰根部施加的等离子体激励频率为火焰脉动频率的整数倍，动态地影响火焰热释放的频率与相位规律，使得脉动火焰对气流扰动的响应程度发生变化；火焰侧面施加的等离子体通过输入能量将火焰主体吸附于附近，进而改变火焰主释热区相对于燃烧室出口的距离，即令燃烧室内压力脉动从燃烧室出口反射的回传路径长度改变，压力脉动与火焰热释放率的相位差发生变化；这两处等离子体的协同作用将打破原先火焰热释放与声压之间满足的热声振荡条件，实现燃烧室内压力脉动的抑制；
所述环形的DBD电极由高压电极端、绝缘介质和地电极端组成，高压电极端与燃烧室外部的第二电源的输出端连接，地电极端接地，绝缘介质呈环形紧贴于燃烧室的内壁，高压电极端呈环形紧贴于绝缘介质的内壁，地电极端呈环形紧贴于绝缘介质的内壁，高压电极端与地电极端平行且高压电极端位于地电极端的上方。
2.根据权利要求1所述的一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于，等离子体放电频率的选择依据综合考虑燃烧室热声振荡的主频率为50Hz～200Hz的范围，将等离子体放电频率范围设为1kHz～50kHz。
3.根据权利要求1所述的一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于，所述的金属电极为金属悬浮单电极，金属悬浮单电极的下端与燃烧室外部的第一电源的输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于，所述的金属电极为金属双电极，一对金属双电极安装在火焰的根部附近，呈相对布置，金属双电极的两个电极分别与燃烧室外部的第一电源的输出端和地线相连接。
5.根据权利要求1所述的一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于，所述的金属电极为DBD电极，所述的DBD电极由两个圆形金属薄片和一个对应尺寸的石英块组成，两个圆形金属薄片呈相对布置，石英块布置在两个金属薄片中且粘连在一个圆形金属薄片上，粘连有石英块的圆形金属薄片作为高压电极端，与燃烧室外部的第一电源的输出端连接；另一金属薄片作为地端与地线相连接。
6.根据权利要求1所述的一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于，所述第一电源为脉冲电源或交流电源，所述第二电源为交流电源。
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